Después de 50 años los físicos acaban de encontrar por fin pruebas de lo que mantiene unida la materia

Un equipo de científicos ha confirmado que un superordenador ha conseguido reconstruir con una precisión sin precedentes la estructura tridimensional interna del pión, una partícula subatómica esencial para comprender cómo se mantiene unida la materia visible del universo. El hallazgo abre una nueva ventana al comportamiento de los quarks, los componentes elementales que forman protones, neutrones y otras partículas.

Este hallazgo permite analizar cómo se distribuyen los quarks dentro del pión bajo diferentes condiciones de movimiento y comprender con mayor precisión qué ocurre en el interior del pión. Esto podría ayudar a responder una de las grandes preguntas que lleva décadas intrigando a la física: cómo emerge exactamente la materia visible a partir de quarks y gluones, los componentes más fundamentales conocidos de nuestro universo.

Esto es lo que mantiene unida la materia

Los piones son un tipo especial de partícula subatómica perteneciente a la familia de los mesones. Para entender mejor su naturaleza, podemos imaginarlos como diminutos sistemas formados por componentes todavía más fundamentales: los quarks. Estas partículas son muy ligeras en comparación con los protones y tienen una masa aproximadamente 270 veces menor.

Además, los piones son extremadamente inestables. Su vida media es de apenas 26,033 nanosegundos, un intervalo increíblemente breve durante el cual la mayoría termina desintegrándose y transformándose en otras partículas. En el caso de los piones cargados, este proceso produce normalmente un muón y un neutrino muónico, dos partículas subatómicas con propiedades muy diferentes.

Otra de sus características más llamativas es el espín. Aunque puede resultar tentador imaginarlo como una rotación física, en realidad se trata de una propiedad puramente cuántica relacionada con el comportamiento interno de las partículas. Los piones tienen espín cero, lo que los sitúa dentro de la categoría de partículas conocidas como bosones escalares.

Estudio

Durante décadas, los físicos han trabajado con una idea aparentemente sencilla: el número bariónico, una propiedad cuántica asociada a la materia y la antimateria y fundamental para explicar la estabilidad de los protones, estaría distribuido entre los tres quarks de valencia que forman los bariones. Sin embargo, nuevas mediciones sugieren que esta imagen podría ser demasiado simple.

Un estudio publicado en Science por la Colaboración STAR apunta a una posibilidad mucho más sorprendente: el número bariónico podría estar relacionado con una estructura conocida como unión bariónica, una especie de conexión con forma de Y formada por gluones, las partículas que actúan como mediadoras de la interacción nuclear fuerte. La propuesta no es nueva. Surgió en la década de 1970, pero hasta ahora había resultado especialmente difícil encontrar indicios experimentales capaces de respaldarla.

Para investigar esta posibilidad, los científicos analizaron datos obtenidos en el Colisionador Relativista de Iones Pesados de Brookhaven, un acelerador dedicado al estudio de colisiones entre núcleos atómicos a energías extremas y que actualmente ya no se encuentra operativo. Los investigadores estudiaron, entre otros escenarios, colisiones isobáricas, en las que núcleos de rutenio y circonio, con el mismo número másico pero diferente carga eléctrica, fueron acelerados hasta velocidades cercanas a la de la luz antes de colisionar.

Los resultados revelaron una diferencia especialmente llamativa. El número bariónico parecía atravesar la región de la colisión durante más tiempo que la carga eléctrica. Si ambas propiedades estuvieran vinculadas directamente a los mismos quarks de valencia, cabría esperar que siguieran un comportamiento mucho más parecido. Sin embargo, la carga eléctrica parecía detenerse antes, mientras que el número bariónico continuaba avanzando.

Este comportamiento encaja mejor con la posibilidad de que exista una estructura neutra capaz de transportar el número bariónico. Esa estructura sería la unión bariónica, formada por gluones, que no poseen carga eléctrica y participan en la fuerza nuclear fuerte.

Las colisiones fotonucleares proporcionaron una segunda forma de poner a prueba esta interpretación. Cuando los núcleos de oro se desplazan a velocidades relativistas, generan campos electromagnéticos extremadamente intensos que pueden describirse como una nube de fotones virtuales. Estos fotones no transportan número bariónico y pueden interactuar con otros núcleos.

Los investigadores, sin embargo, hacen un llamamiento a la calma, ya que es necesario explorar otras teorías que puedan explicar de forma conjunta todos los fenómenos observados. Por el momento, la hipótesis de la unión bariónica parece capaz de ofrecer una explicación coherente.

Para llegar a comprender estos fenómenos todavía queda un largo camino por recorrer, y en ese proceso la inteligencia artificial puede convertirse en una herramienta muy valiosa. Esta capacidad para encontrar patrones, explorar enormes cantidades de posibilidades y proponer soluciones que pueden pasar desapercibidas para los investigadores podría resultar especialmente útil en campos como la física de partículas.

Pero la importancia de estos avances no se limita a la tecnología. En el fondo, la investigación científica responde también a una necesidad mucho más antigua: comprender qué es el universo que nos rodea y cuál es nuestro lugar dentro de él. Por esa razón se destinan enormes recursos a instalaciones como los grandes colisionadores de partículas.